5.2　新能源汽车技术发展趋势分析

5.2.1　电动汽车技术路线及趋势分析

5.2.1.1　电动汽车技术路线

电动汽车主要有纯电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池汽车等。

（1）混合动力汽车

在国际上，混合动力多指混合动力电动汽车，指将电力驱动与辅助动力单元（Auxiliary Power Unit，APU）合并到一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元是燃烧汽油、柴油或是天然气等代用燃料的原动机或动力发电机组。混合动力电动汽车将原动机电动机储能装置组合在一起，使其融合了内燃机汽车和电动汽车的优点，具有节能、环保等多方面的综合优势。混合动力电动汽车存在两个动力源，分别为内燃机和电动机。在下坡及刹车时，混合动力电动汽车的电动机能够回收部分能量储存于电池中用于驱动汽车，同时通过减小内燃机排量、优化内燃机效率、停车停机等技术达到节省燃料消耗的目的。

根据对电池驱动的依赖度不同，混合动力电动汽车还可以细分为多种车型。插电式混合动力汽车（PHEV）是能利用外部电源对电池进行充电的混合动力汽车。插电式混合动力汽车在混合动力汽车基础上增加了纯电动行驶工况，并且加大了动力电池容量，使车辆在纯电动工况下可行驶50—90km，超过这一里程，则启动内燃机工作。这实际上是介于混合动力汽车与纯电动汽车之间的一种过渡性产品，在日常使用和上下班使用几乎可以当作纯电动汽车行驶，利用家用电源进行充电。目前，国内外的汽车厂商均投入了大量精力在插电式混合动力汽车的研发和生产上。增程式电动汽车（EREV）具有更大的电池容量，拥有更长距离的全电动行驶里程。2010年，通用汽车公司将增程式电动汽车雪佛兰沃尔特推向美国市场。沃尔特利用锂电池最长能够行驶40英里，然后使用内燃发电机还能继续行驶375英里。通用汽车公司已经宣布计划在2011年、2012年分别生产15000辆和45000辆该车。

（2）纯电动汽车

纯电动汽车是完全由可充电电池提供动力源的汽车，车载电池依靠外部电源进行充电。纯电动汽车本身并不排放CO、NO、CO2和其他有害气体。长期以来制约其发展的“瓶颈”是蓄电池技术。目前常用的电池有：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等。锂离子电池具有较高的电池单体电压、高的比能量和比功率，有望成为21世纪电动汽车的主要电池来源。

近年来，动力电池技术取得了较大的进步，为纯电动汽车的普及应用创造了条件。目前美国、日本、欧洲和我国都在纯电动汽车研发和推广方面获得了一定的发展，关键部件逐步成熟，车辆整体特性得到很大提高。由于目前动力电池的能量密度远远小于化石燃料，续驶里程不足是制约纯电动汽车应用的主要因素之一。

（3）燃料电池汽车

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，通过电极反应直接转化为电能的装置，一般以质子交换膜燃料电池作为车载能源。燃料电池电动汽车由电动机进行驱动，其电能由车载的氢气和氧气在燃料电池中发生化学反应产生，不需要外部电源进行充电。

就目前各国电动汽车技术发展情况而言，插电式混合动力汽车和纯电动汽车将是未来一段时间内汽车产业发展的主流方向。燃料电池汽车则被视为汽车产业发展的最终目标。

5.2.1.2　电动汽车发展趋势

重点推广纯电动汽车和插电式混合动力汽车。就国外而言，美国政府明确提出到2015年美国道路上行驶的电动汽车达到100万辆的目标，并实施各项政策法规加大支持力度。欧洲也制订推广纯电动汽车和插电式混合动力汽车计划，分三个阶段实施，计划至2020年累计投入500万辆电动汽车。除了各国政府的大力支持，汽车制造商和公共事业单位也将目光纷纷投向插电式电动汽车的推广和部署。就我国而言，工信部牵头制定的《节能与新能源汽车产业发展规划（2011—2020年）（草案）》中明确中国未来的新能源汽车发展规划将以插电式混合动力汽车及纯电动汽车为战略方向。该目标分两个阶段实施，第一阶段到2015年，动力电池、电机、电控等关键零部件核心技术实现自主化，纯电动汽车和插电式混合动力汽车初步实现产业化，市场保有量超过50万辆。第二阶段是从2015年到2020年，我国节能与新能源汽车关键零部件技术达到国际先进水平，纯电动汽车和插电式混合动力汽车实现产业化，市场保有量达到500万辆，充电站网络支撑纯电动汽车实现城际间和区域化运行。

动力电池等关键部件研发投入增加。美国、日本和欧盟主要国家近期都已经开始部署电动汽车的研发计划，启动了面向未来的下一代电动汽车关键技术的研究和开发。特别是对于动力电池寿命和成本指标，各国都确定了明确的发展路线图和时间表。各国均认为，在所有驱动中，电力驱动具有极其重要的地位，未来的驱动方式必然是低能耗、更环保、零排放、低噪声、具有可持续发展前景的。我国在电动汽车领域虽取得一些进步，但依然处于科研向产业化迈进的过程当中，还存在技术不成熟、一致性、可靠性、耐久性、成本高、社会配套设施不健全等诸多市场化的阻碍和困难。“十二五”期间，我国将重点加大电动汽车动力电池等关键部件的研究开发力度，加快产品性能升级，有效支撑电动汽车的市场应用和产业化。

标准化工作逐步加快进行。我国新能源汽车标准化工作正在积极进行，新能源汽车标准体系将进一步完善。2009年12月，全国汽车标准化技术委员会电动车辆分技术委员会对《纯电动乘用车技术条件》、《电动汽车用动力蓄电池规格尺寸》等七项新能源汽车国家标准和行业标准进行了审查。2010年，科技部联合国家质检总局、国家标准委等部门，共同建立起一套与我国自主研发产品和技术特征相配合的电动汽车标准体系。此外，相关组织机构通过了解国外对电动汽车的产业政策和标准发展规划，不断修订和完善我国电动汽车的标准体系发展，这些都将对我国新能源汽车产业发展起到积极的推动作用。

5.2.2　动力电池技术路线及趋势分析

5.2.2.1　动力电池技术路线

锂离子电池的材料体系、结构形式可以灵活选择，并且随着技术的不断发展，不断涌现出新型的锂离子电池，引领着锂离子电池向着高安全性、高能量密度、高功率密度、长循环寿命、低成本的方向发展。目前，已进入产业化初期阶段应用的较成熟的锂离子电池类型主要有锰酸锂系、磷酸铁锂系电池，在材料上，通常都是在纯的锰酸锂、磷酸铁锂的基础上通过掺杂、包覆等手段引入其他元素或物质，从而提高某些方面的性能；在结构形式上，则是通过从传统的硬壳卷绕式电池向软包叠片式电池的转变来提高电池的性能。这些锂离子电池的能量密度已能达到100—200Wh/kg，功率密度达到1000—1500W/kg，单体电池的循环寿命平均达到3000次左右，安全性问题已基本解决，成本也随着规模化的生产而有望逐步降低。更重要的是，还不断有新的材料体系被开发出来，典型的有钛酸锂系锂离子电池，具有更高的功率密度、循环寿命等优点。还有处于理论研究阶段的锂硫电池、锂—空气电池等，其能量密度分别能达到350Wh/kg和1000Wh/kg，为更高性能的锂离子动力电池的开发提供了可能的选择。

锂离子动力电池发展总的技术路线是：改进和完善现有材料体系、结构设计和生产工艺，不断开发新型的材料体系，不断提高锂离子电池的各项性能指标。

5.2.2.2　动力电池发展趋势

在目前的发展阶段，动力锂离子电池还处于多种材料体系共存的局面。其中，磷酸铁锂系电池具有高性能、高安全性、低成本等特点，中国、韩国、欧美等国多以此体系为主，是目前的热点和主流；纯的锰酸锂电池存在高温工作时不稳定、容量易衰减的缺点，但通过对纯的锰酸锂进行改性，开发出了高性能的三元材料，解决了锰酸锂体系存在的问题，日本及部分欧美国家目前选择三元材料体系作为电动汽车主要的动力电池；由日本东芝公司和美国Altairnano公司开发的以钛酸锂代替传统的石墨负极材料的锂离子电池，具有功率高、安全性好、循环寿命长、适用温度范围宽的优点，成为电动汽车动力电池另一个可能的选择。

从成本来看，目前磷酸铁锂系电池具有优势，三元材料由于成分中含有镍、钴等贵重金属元素，是其未来大规模产业化面临的不确定性因素，钛酸锂系电池则由于材料的制备工艺条件严格，导致其成本居高不下。因此，在产业化方面，磷酸铁锂系电池目前也走在前面。电动汽车走向规模化市场应用的发展步伐，目前看来取决于动力电池的性能、成本以及充电网络。

从目前锂离子电池的技术发展水平来看，在五年内，动力电池的性能基本能满足电动汽车的应用要求。动力电池成本的问题除了通过降低电池制造成本外，还可以通过电池梯级利用以及废旧电池回收再利用的方式来解决。动力电池梯级利用目前仅停留在概念阶段，对于电动汽车用过的旧电池能否继续用在其他场合、用在其他场合的效果如何以及怎样才能找到最佳的使用方式，目前还没有科学依据的支持。但已经存在的一些事实还是给梯级利用这种方式留下了许多待回答的难题，例如：新电池尚且存在一致性的问题，旧电池的一致性分化规律又会如何；旧电池和新电池的寿命衰减曲线的差异问题；旧电池在其他场合使用前重新检测的标准特别是安全标准的问题；在同一场合使用新电池或旧电池的综合成本评估的问题等。废旧电池回收再利用是降低电池使用成本的有效方式，由于动力电池目前还没有进入大规模市场应用阶段，这项技术也没有引起足够的重视。

动力电池的充电网络是电动汽车应用的一项基础设施，可采用的技术路线是充、换电的方式，这两种方式基本上已覆盖了动力电池对充电的需求。充电的方式寄希望于能以最快的时间完成对电池的充电，但必须以不显著损伤电池的寿命为前提；换电的方式则可以慢充的方式进行。从电池的角度来说，越快速的充电越不利于其寿命，应尽量使用温和的方式对电池进行充电才能长时期保持其性能的发挥。从充电网络的角度来说，电池性能的突破不会对充电技术路线产生根本性的影响。

5.2.2.3　动力电池充电功率特性

对于同一电池组，高电压大电流充电将缩短时间。充电过程中，充电功率逐步降低，但对于大量电动汽车的充电行为，从统计学分析，可以认为电池的充电功率是维持不变的。

5.2.3　充换电设施技术路线及趋势分析

5.2.3.1　典型充电设施

电动汽车充电方式主要有直流充电和交流充电两类，交流充电对应小功率长时间充电，而直流充电一般适用于大功率快速充电。

（1）交流充电设施

电动汽车的充电设施可按照充电类型与额定功率划分为不同等级，交流充电功率较小，主要针对中小型车，根据电网公司典型设计规范，目前国内交流充电桩按照充电功率分为三种，充电参数如表5-4所示。

一个充电桩最多可以有两个充电接口，但只能输出一种充电功率。充电接口的数量取决于充电桩所在的地理位置，电动汽车使用集中区可设双口充电桩，非集中区可设单口充电桩。

（2）直流充电设施

根据电网公司典型设计规范，目前国内直流充电桩按照充电功率分为三种，主要应用于大中型车以及小型车的快充，充电参数如表5-5所示。

直流充电桩较交流充电桩的充电功率有较大提高，对供电线路供电能力要求高，并要求配套安装整流逆变设备、无功补偿设备、谐波抑制设备等。

5.2.3.2　充换电设施技术路线

（1）常规充电

蓄电池的常规充电方法通常采用小电流恒压或恒流充电，一般充电时间为5—14小时。不同车型常规充电的充电功率不尽相同，但普遍小于电池的充电耐受能力。表5-6显示了针对不同车型，常规充电的充电功率范围。

常规充电模式的优点为：充电装置和安装成本比较低；可提高充电效率和延长电池的使用寿命。常规充电模式的主要缺点为：充电时间过长，当车辆有紧急运行需求时难以满足。

常规充电模式要求电动汽车的续驶里程尽可能大，最好能满足车辆一天行驶需要，这样就可以利用晚间停运时间充电。由于常规充电的充电电流很小，适宜在家里、停车场和公共充电站进行。现阶段电池的续驶里程大约为100km，市内环卫车、景区旅游车等适合采用这种充电方式。

（2）快速充电

快速充电又称应急充电，是以较大电流短时间为汽车充电（具体的充电时间由电动汽车动力电池性能而定，一般不超过2小时），不同类型电动汽车快速充电功率如表5-7所示。

快速充电的优点主要为：充电时间短，由于充电时间与燃油汽车加油时间差不多，因此，可不配套建设大面积停车场。缺点在于：充电器充电效率较低，相关成本较高，且对充电技术以及充电的安全性提出了更高的要求，同时计量收费设计也需特别考虑。

适用范围：电动汽车续驶里程较短时，车辆日常运行必须采用快速充电方式，需要配套建设专用的充电站。

（3）中速充电

考虑到快速充电有损电池、对电网影响较大，而慢速充电时间太长，为了兼顾快速充电和慢速充电优势，出现了中速充电方式，如表5-8所示。

（4）电池更换

电池更换是通过直接更换电动汽车的电池组来达到为其充电的目的。由于电池组重量较大，更换电池的专业化要求较强，需配备专业人员借助专业机械来快速完成电池的更换、充电和维护。电池更换是备受汽车企业关注的电动汽车充电模式之一。在这种模式下，整车和电池的所有权分离。

换电服务具有以下几个方面显著特点：一是电池更换速度快，是目前在不损害电池寿命前提下实现电能快速补给的唯一可行解决方案，是当前推进电动汽车规模化发展的重要基础。二是站点选址与服务方式更为灵活，通过与物联网和物流系统结合，通过换电站与配送站相结合，换电方式下服务网点的配置将更为灵活，受配电网和土地的影响相对较少。三是在换电方式下，换电站或电池集中充电站可以作为集中负荷管理，对配电网影响小，易于实现有序充电。四是有利于推动动力电池产业标准化进程，促进产业规模与技术水平尽快提升。

换电模式对于建设与运营投入、车企与电池企业配合程度等要求更高。换电模式面临的问题有：一是换电服务方式要求为电动汽车配备备用电池，从而要求服务商配置大量电池，此外，换电设备造价相对较高，这些对换电服务商资金实力提出了较高要求，相应的建设与运营成本回收也面临较大压力。二是换电服务方式要求实现动力电池的标准化，要求换电服务商、整车企业以及动力电池制造企业共同协作，建立统一的动力电池标准以及换电设备标准才能满足规模化运营的需要。

5.2.3.3　充换电设施发展趋势

就目前而言，上述三种电能供给模式中，常规充电方式的技术难度相对较小，其发展相对成熟，然而不同车辆的行驶特性对电能供给有不同要求。充电时间过长降低了电动汽车的使用效率，在一定程度上制约了车辆的续驶能力。快速充电虽然能在较短的时间为电动汽车提供能量补充，但就目前电池材料及技术水平而言，过充、过放以及高倍率充电均会使电池容量衰减加快，并降低其循环寿命。同时，由于充电电流较大，使用者对充电的安全性提出了更高的要求。电池更换方式尽管在对电池产品的标准化和充换电设施的建设方面均有较高要求，但在提高车辆运行效率、改善电网供需平衡、实现网络化统一管理上拥有一定的优势，是满足车辆发展和用户需求的一种有效方式。

随着电动汽车及其充电技术、设备、管理系统的快速发展和相关政策、法律、标准、规范体系的逐步健全完善，各国电动汽车充换电设施的规模化建设进程将不断加快，充换电设施的发展将呈现明显的基于商业化服务能力提升为导向的发展趋势。主要表现在以下方面：

网络化：电动汽车的推广运行，需要构建基于统一信息管理平台的充换电服务网络。充换电设施的网络化建设能够适应电动汽车用电对移动性和多样性的要求，有利于促进充电服务产业规范有序发展，有利于发挥规模效益，降低系统运营维护成本。

智能化：电动汽车的发展与智能电网技术关系密切。电动汽车作为移动储能单元，结合先进智能电网技术，可以有效地参与负荷管理和系统调峰，从而提高电力系统整体运行效率。智能电网将为实现电动车综合效益最大化提供基础平台，这就要求充换电设施的建设和运营管理都必须与智能电网有效结合起来。

标准化：充电基础设施需要实现建设与运营的标准化，为各类电动车型提供规范一致的充电服务。加快制定针对商业化充电装置与电动汽车的相关技术标准与接口规范，同时建立规范一致的充电服务体系，以切实提升电动汽车充换电设施的标准化服务水平。